电力电子技术讲义B(4-5).ppt

第4章有源逆变电路,4.1有源逆变的工作原理4.2有源逆变电路的应用4.3变流装置的功率因素及其对电网的影响4.4变流装置的触发电路,4.1有源逆变的工作原理,直流电,,逆变器,,交流电,有源逆变,无源逆变,电网,用电设备,有源逆变应用直流电动机可逆拖动，线绕式异步电动机串级调速，直流输电,4.1.1工作原理,,,,,,,,,1,,,,,,,,2,,,,,,,,,,M,,,,,,,,,VT1,,,,,,,,,0,VT2,,,,,,,L,,,,,,,,,,,,,,,,,,重物,,重物上升，变流器为电机提供能量，电机工作在电动状态；重物下降，电机工作在发电状态，变流器吸收电机提供能量，送回电网。,仿真模型f41.mdl,,,,,,,,,,,,,,,,RM,,,,M,,,,,-,Ud,,-,,id,功率,发电机状态,E,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,RM,,,,M,,,,,-,Ud,,-,,,id,功率,电动状态,E,,整流（）,逆变（）,,,,,,,,,,,,,,,,RM,,,,M,,,,,-,Ud,,-,,id,短路,发电机状态,E,,整流与逆变的比较,短路（不允许）,4.1.2逆变条件,要有给晶闸管正向电压的外部直流电源E，且EUd变流器工作在的区域（输出负电压）,逆变角整流UdUdocos逆变Ud-Udocos,逆变电路单/三相半波；单/三相全控桥。（有或相当于有续流二极管的电路因无法输出负电压，不能做为逆变电路）,逆变角的定义,逆变电路的要求,又称变流器（既能整流又能逆变）,仿真模型f411.mdl,4.1.3逆变失败与逆变角的限制,VT2脉冲丢失,逆变失败的原因触发电路不可靠（脉冲丢失或延时）晶闸管故障交流电源异常（缺相或丢失）逆变角太小,Ud与E顺向连接造成短路,逆变失败相当于短路，将损坏变流装置（整流失败只会使输出电压缺相）,逆变角的限制,4.2有源逆变电路的应用,4.2.1直流电动机可逆拖动系统,一组变流器供电，接触器控制正反转,,,,,,,,,,,,,M,,,-,Ud,接触器动作慢,寿命短,且切换需要控制,,,,,,K1,,,,,,K2,,,,,,K1,,,,,,K2,,,,,,,,,,,两组变流器供电,,,,,,,,,Lc3,Lc4,,,,,,,L,,,,M,,,,M,,,,M,,,,,,,L,,,,,,,,,,,,,,,,,,,U,V,W,O,1,2,三相半波,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,U,V,W,U,V,W,三相桥式,1,2,,,反并连接,1,2,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,M,,,,,,,L,,,,,,,1,2,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,M,,,,,,,L,,,,,,,1,2,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,M,,,,,,,L,,,,,,,1,2,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,M,,,,,,,L,,,,,,,1,2,,,n,T,,-,,-,id,,-,,-,id,,-,,-,id,Text,-,,,-,id,,,,,,,四象限运行图,正转整流电动运行,反转整流发电运行,反转整流电动运行,正转逆变发电运行,有源逆变产生制动转矩，实现快速制动,工作方式,逻辑无环流工作方式1/2组不同时工作无环流（无需笨重的电抗器限制环流）根据直流电动机的转向（E的极性）及零电流（Id0）作出逻辑判断，按要求控制1/2两组变流器的工作状态,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,M,,,,,,,L,,,,,,,1,2,,-,,-,id,,,环流,,环流不经负载，徒增器件电流负担,工作方式Uc090n0UcUc0UdUd1组整流，2组待逆变1组脉冲左移，2组脉冲右移）电机正转；此时若要降低正转转速，只须降低Uc，则2组逆变，1组待整流，转速下降后，1组重新进入整流状态。,UdUd（）（平均值相等）无直流环流,ud‡ud瞬时值不等）有交流环流串环流电抗器抑制交流环流环流电抗器采用对称串入正反两组变流器，因为总有一组变流器流过直流电流，会造成电抗器铁芯饱和，电感量下降。Lc的大小以将环流限制在35Id即可,应将此波形加一负号（使参考方向相同），又因使用相同电源，故应前移180后比较,ud‡ud瞬时值不等）有交流环流,错位无环流工作方式错位无环流是二组变流器都输入脉冲，但二组脉冲彼此错开，使不工作一组所受到脉冲的晶闸管的阳极电压恰好为负，从而消除环流。,4.2.2绕线转子异步交流电动机的串级调速系统,,,,Udb,,,,,,,UdB,,,,,,,U2l线电压）,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,电路原理图,电动机转动时，转子感应电压的频率较高，频敏电阻器等效电阻较大，限制启动电流,调速原理,4.3变流装置的功率因数及其对电网的影响,4.3.1变流装置的功率因数,以单相全波电路大电感负载电路为例,变流装置的功率因数随移相角而变化,产品铭牌上的功率因数指额定工作条件下的数据,4.3.2提高功率因数的方法,,,,,,,,,,,,,i1,C,,,SCR,u1,id,Ic,U1,I1,Id,,,ic,,,,,,,,1接入补偿电容,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,LC滤波，去除高频谐波,2电感电容谐振补偿法,,提高的方法,降低的方法,,,,,,,,,,,Ud1,,,,,,,,,,Ud2,,,,,,,_,,,,Ud,M,,,,,,,,,,,,,,,,_,UdUd1Ud2输出电压高时,各装置工作在小角度,,,,,,,,,,Ud1,,,,,,,,,,Ud2,,,,,,,_,,,,Ud,M,,,,,,,,,,,,,,,,_,UdUd1-Ud2输出电压低时,,小角工作,小角及小角工作,4.3.3变流装置对电网的影响,变流装置,产生谐波电流,谐波污染源,电网内部产生谐波电压,降低电网质量,,通信线路杂音,电机噪音,附加温升,绝缘电压,4.4变流装置触发电路,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,主变压器,同步变压器,us,Uc,触发电路,负载,ug,同步电压us保证触发脉冲与晶闸管有相同参考相位,控制电压Uc用于移相，改变a角,,us与Uc共同控制触发脉冲的位置。根据us的不同，触发电路包括正弦波触发电路与锯齿波触发电路。,基本结构,4.4.1正弦波同步触发电路,同步移相环节,,,,,,,,,,,,V1,,,,,,,R5,,,,,,,R4,,,,,,,,,,,,,RL,,,,,,,C4,,,,,,,,,,,,Uc,us,15V,R8,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,us,ug,Uc,Uc,正值,负值,Uc0,,脉冲形成放大环节,其它环节,输出部分VD9/VD10防止输出负脉冲，R14为限流电阻，VD8/R12防止V3截止时，TP初级绕组产生感应高压击穿V3,同步输入部分us’经R1/C1滤波，防止电网电压波动对触发电路的影响，us落后us’一定角度-tg-1R1C1,min和min的限制电路,特点,4.4.2锯齿波同步触发电路,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,RP1,,,,,,,,15V,Uc,-15v,Up,X,Y,-15V,接封锁信号,A,B,,15V,脉冲形成放大环节,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,RP1,,,,,,,,15V,Uc,-15v,Up,X,Y,-15V,接封锁信号,A,B,,15V,,,同步移相环节,,,,,,,,V2截止,V2导通,t,us,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,240,120,us,usT,uG,,VD1通,C1放电,,V2截止,VD1截止,C1充电,V2截止,uG电压为正,V2导通,,,当电容电压为图示方向时V2总是截止,,,其它环节,双脉冲电路,特点,抗干扰性能好,移相范围宽,具有强触发/双脉冲/脉冲封锁环节,应用于大中容量的变流器中,4.4.3触发脉冲与主电路电压的同步,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,us,180,ug,U,us,t,t,t,ug,U,t,正弦波触发电路,120,,,,,,,,,,t,120,锯齿波触发电路,,,,,,,,,,t,120,,,Uc0,Uc0,,同步问题,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,主变压器,同步变压器,us,Uc,触发电路,负载,ug,uU,,以U相为例,同步示例,解题步骤（1）确定同步电压与主电路晶闸管阳极电压的相位关系（2）画出阳极电压与电网电压的相位关系（3）确定同步电压与电网电压的相位关系,变压器钟点数以初级线电压为长针，次级线电压为短针所构成的。偶数钟点初次级接法相同（Y/Y），奇数钟点接法不同Y,例4.4.1已知三相半波可控整流电路主变压器的接法如图所示，采用正弦波（NPN）触发电路，要求电路工作在整流与逆变状态，试确定同步变压器器接法。,,,,,,,,U1,,,,,,,V1,,,,,,,W1,,,,,,,U,,,,,,,V,,,,,,,W,,,,,,,,,,U1,,,,,,,V1,,,,,,,W1,,,,,,,SU,,,,,,,SV,,,,,,,SW,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,U1V1,30,U1U,120,SU,SUV,解,（1）正弦波触发电路，主电路电压U超前同步电压SU120,（2）变压器相量图,（3）SUV落后U1V1120度，即同步变压器采用Y/Y-4接法,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,1CF,VT1,负载,,SU与电网电压V1同相位,例4.4.2三相全控桥主变压器接法/Y-5，采用NPN锯齿波触发电路，同步变压器次级电压us经阻容滤波为us’后接至触发电炉，us’落后us30,试确定同步变压器接法。,,,,,,,,U1,,,,,,,V1,,,,,,,W1,,,,,,,SU,,,,,,,SV,,,,,,,SW,,,,U1V1,150,UV,SU,SUV,解,（1）锯齿波触发电路，主电路电压U超前同步电压SU180度,（2）变压器相量图,（3）SUV落后U1V10度，即同步变压器采用Y/Y-10及Y/Y-4接法,,,,,,,,,,,,,,,,,,,1CF,VT1,因SU落后SU30度，故主电路电压U超前同步电压SU150度,,,,,,,U,,,,,,,,,VT4,,,,,,,4CF,,,,,,,S（-U）,,,,,,,,,,,,,,,,150,,,,,,第5章交流调压和斩波电路,5.1交流调压电路5.2直流斩波电路,5.1交流调压电路,用途电炉温控,调光,异步交流电机调速调压器中晶闸管的控制分过零控制和移相控制调压电路分单相和三相调压电路,,,有效值固定的交流电压,调压器,有效值可调的交流电压,过零控制通断控制,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,uin,uout,连续式,断续式,控制时间Tc,,,n个周波连续输出,n个周波断续输出,特点有级调压,输出电压功率调节不平滑,适合时间常数较大的对象.但谐波含量低,功率因数高.,移相控制,电阻性负载,输出电压波形,仿真模型f51.mdl,电感性负载,求取UO（IO）的关键是值的确定,,,,,,,,,,,180,Q,a,180度,90度,负载阻抗角上升,0度（纯电阻）,90度（纯电感）,,解超越方程2较为困难,根据负载阻抗角及查上图可得导通角,感性负载对触发脉冲的要求1VT1/VT2触发脉冲必需隔离,即不能有公共接地端2采用强触发宽脉冲/高频调制脉冲,防止输出电压正负波形不对称,出现直流分量,5.2直流调压器斩波器,调压器按输出电压与输入电压的关系分降压式/升压式/升降压式；调压器按工作方式分斩波式/谐振式；斩波器用于直流电动机调速系统。,,,固定的直流电压,斩波器（调压器）,可调的直流电压,5.2.1降压斩波器,,,,,,,,E,,,,,,VD,,,,,,,L,,,,M,,,,,,,R,,,,,,,,,VT,,,,,,,,,,,Io,Uo,降压斩波器,,电流连续,仿真模型f52.mdl,E100V,ED10V,R50,L1H,输出电压控制方法,求负载电流的最大值与最小值,电流断续,求出tx即可求出Uo及Io电流断续对电动机不利，少见。,注意io0时uoED,5.2.2升压斩波器,设C足够大，Uo基本不变;L足够大，IE近似为一直线.VT导通，L储能IEEt1VT关断，L释能IE（U-E）（T-t1则IEEt1IE（U-E）（T-t1Et1（U-E）（T-t1UTE/T-t1UE,升压斩波器,,,,,,,,E,,,,,,VD,,,,,,,L,,,,M,,,,,,,R,,,,,,,,,VT,,,,,,,,,,,Io,Uo,升压斩波器,,,,,,,,,C,,,,,,,IE,,,,,,,,,uL,t,VT导通,VT关断,E-UO,E,IE,t,UO,t,,L储能,L释能,t1,T,,,升压斩波器多用于直流电机的在生制动,5.2.3升降压斩波器,,,,,,,,E,,,,,,,E,,,,,,VD2,,,,,,VD1,,,,,,,L,,,,ED,M,,,,,,,,,VT1,,,,,,,,,VT2,,,,,,,,,,,,,,,L,,,,ED,M,,,,,,斩波器,,,,,Io,Uo,Io,Uo,半桥斩波器,,,,,,,E,,,,,,VD2,,,,,,VD1,,,,,,,L,,,,M,,,,,,,,,VT1,,,,,,,,,VT2,,,,,,,全桥斩波器,,,,,,VD4,,,,,,VD3,,,,,,,,,VT3,,,,,,,,,VT4,,,,,VT3不通/VT4导通构成半桥斩波器（一二象限）,VT1不通/VT2导通构成半桥斩波器（三四象限）,,,输出电压为，,输出电流可逆,电流可逆斩波器,,VT1/VD1构成降压斩波器（VT2不通）,电机工作在正转电动状态,VT2/VD2构成升压斩波器（VT1不通）,电机工作在正转发电状态,,,,,,,,E,,,,,,,E,,,,,,VD2,,,,,,VD1,,,,,,,L,,,,ED,M,,,,,,,,,VT1,,,,,,,,,VT2,,,,,,,,,,,,,,,L,,,,ED,M,,,,,,斩波器,,,,,Io,Uo,Io,Uo,半桥斩波器,,,,,,,E,,,,,,VD2,,,,,,VD1,,,,,,,L,,,,M,,,,,,,,,VT1,,,,,,,,,VT2,,,,,,,全桥斩波器,,,,,,VD4,,,,,,VD3,,,,,,,,,VT3,,,,,,,,,VT4,,,,,VT3不通/VT4导通构成半桥斩波器（一二象限）,VT1不通/VT2导通构成半桥斩波器（三四象限）,,,输出电压为，,输出电流可逆,电流可逆斩波器,,VT1/VD1构成降压斩波器（VT2不通）,电机工作在正转电动状态,VT2/VD2构成升压斩波器（VT1不通）,电机工作在正转发电状态,,,,,,,,E,,,,,,,C,,,,,,VD1,,,,,,VD2,,,,,,VD3,,,,,,,L,,,,,,,L1,,,,,,,L2,,,,,,,L3,,,,M,,,,,,,,,VT2,,,,,,,,,VT1,,,,,,,,,VT3,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,多相多重斩波器,三相三重斩波器（由LC滤波器和三个降压斩波器组成）,,,,,i1,i2,i3,io,,,,,,,,,,,,,i1,t,i2,t,t,io,,,,i3,t,错开的单相斩波器使总输出电压/电流,脉动减少（谐波含量低）,,5.2.4斩波器中晶闸管关断控制,,,,,,,,E,,,,,,,E,,,,,,,C1,,,,,,,C1,,,,,,VD,,,,,,VD1,,,,,,VD,,,,,,,L1,,,,,,,L,,,,,,,L1,,,,,,,L,,,,M,,,,M,,,,,,,,,VT2,,,,,,,,,VT1,,,,,,,,,VT2,,,,,,,,,VT3,,,,,,,,,VT1,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,先触发VT2导通，使C1充电至E，Uo0,VT1导通时，C1同时经VT1/L1/VD1放电并,反充，UoE，若VT2导通，则VT1关断。,定频调宽电路,控制VT2导通，使C1充电，,控制VT3使C1反充，,实际上VT2导通时VT1关断。,,,,,,,,,E,,,,,,,E,,,,,,,C1,,,,,,,C1,,,,,,VD,,,,,,VD1,,,,,,VD,,,,,,,L1,,,,,,,L,,,,,,,L1,,,,,,,L,,,,M,,,,M,,,,,,,,,VT2,,,,,,,,,VT1,,,,,,,,,VT2,,,,,,,,,VT3,,,,,,,,,VT1,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,先触发VT2导通，使C1充电至E，Uo0,VT1导通时，C1同时经VT1/L1/VD1放电并,反充，UoE，若VT2导通，则VT1关断。,定频调宽电路,控制VT2导通，使C1充电，,控制VT3使C1反充，,实际上VT2导通时VT1关断。,,,,,,,,,E,,,,,,,E,,,,,,,C1,,,,,,,C1,,,,,,VD,,,,,,VD1,,,,,,VD,,,,,,,L1,,,,,,,L,,,,,,,L1,,,,,,,L,,,,M,,,,M,,,,,,,,,VT2,,,,,,,,,VT1,,,,,,,,,VT2,,,,,,,,,VT1,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,上电C充电，VT2导通，则VT1关断。,上电C1充电，VT2导通时VT1关断。,,,,,,,VD2,,,,,,,,,VD1,,,,,,VD2,,,,,,,,,,,,,,E,,,,,,,E,,,,,,,C1,,,,,,,C1,,,,,,VD,,,,,,VD1,,,,,,VD,,,,,,,L1,,,,,,,L,,,,,,,L1,,,,,,,L,,,,M,,,,M,,,,,,,,,VT2,,,,,,,,,VT1,,,,,,,,,VT2,,,,,,,,,VT1,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,上电C充电，VT2导通，则VT1关断。,上电C1充电，VT2导通时VT1关断。,,,,,,,VD2,,,,,,,,,VD1,,,,,,VD2,,,,,,,斩波电路中的晶闸管不能靠电网换相,必需设置辅助关断电路;当负载电流不大时,主要开关器件可采用高频全控型器件,以简化电路的复杂性.,第6章晶闸管的串并联和保护,6.1晶闸管的串并联6.2晶闸管的保护,